Studie beschrijft een nieuw draagbaar zonne-stoomverzamelsysteem met polymeerorigami dat water kan verzamelen en zuiveren tegen zeer lage kosten
Er is een toenemende wereldwijde vraag naar schoon water als gevolg van bevolkingsgroei, industrialisatie en besmetting en uitputting van de natuurlijke hulpbronnen van onze planeet. Zonne-stomen is een techniek waarbij: zonne energie kan worden gebruikt om water te zuiveren door verontreinigd water te verdampen, opnieuw te condenseren en vers schoon water te produceren. Deze techniek is een schone, hernieuwbare en duurzame groene technologie die het potentieel heeft om de wereldwijde schaarste aan schoon water aan te pakken door gebruik te maken van de overvloed aan zonne-energie. De sterkte en efficiëntie van een zonne-stoomsysteem hangt af van het ontwerp en de keuze van fotothermische materialen. Huidige zonne-stoomtechnologieën gebruiken dure, omvangrijke materialen en hebben een laag rendement en een beperkte output. Het bleef een uitdaging om de prestaties te verbeteren en de kosten te verlagen om een lichtgewicht en draagbaar zonne-stoomsysteem te ontwerpen dat direct door individuen kan worden gebruikt.
In een nieuwe studie gepubliceerd op 28 mei in Geavanceerde materialen onderzoekers beschrijven een nieuwe methode voor zonne-stomen door het ontwerpen van een goedkoop, draagbaar, lagedruk-gecontroleerd zonne-stomen-opvangsysteem dat water kan verzamelen en zuiveren met behulp van energie uit zonlicht. Ze kozen voor een fotothermisch polymeermateriaal genaamd Polypyrrool (PPy), dat van nature geleidend is, bekend staat om zijn fotothermische eigenschappen en een hoog rendement vertoont bij het omzetten van zonlicht in thermische warmte. Geïnspireerd door de bloemroos, is het unieke ontwerp van dit zonne-stoomsysteem gemaakt van 3D-origami PPy-papier composieten. Een 'PPy-roos' die bestaat uit gelaagde zwarte vellen in de vorm van bloembladen, werd gecreëerd via origamivouwen en chemische polymerisatie van PPy. Deze origami-structuur is bevestigd aan een stengelachtige, met katoen doordrenkte buis die ruw/onbehandeld water uit een waterbron verzamelt en naar de PPy-rozenstructuur voert die op de bovenkant is geplaatst. Met katoen doordrenkte buis en polystyreenschuim werden gebruikt om direct contact tussen PPy-materiaal en bulkwater te voorkomen.
Zodra onbehandeld water de bloembladen heeft bereikt, verandert PPy-materiaal in de bloemstructuur water in stoom en onzuiverheden die op natuurlijke wijze van het water worden gescheiden. Vervolgens moet de waterdamp worden gecondenseerd en vervolgens moet schoon water worden opgevangen voor gebruik. Onderzoekers gebruikten een lagedrukconditie door een draagbare vacuümpomp te gebruiken. Dit bleek de snelheden van zowel waterverdamping als waterverzameling aanzienlijk te verbeteren. Zodra het water is gecondenseerd, kan in de compacte en stevige glazen opvangpot veilig schoon water worden bewaard.
De 3D-origami's zorgden voor een aanzienlijk hogere absorptie van licht en verbeterde oppervlaktegebieden voor waterverdamping in vergelijking met een conventioneel 2D vlak ontwerp. De waterverdampings- en opvangsnelheid wordt met 52 procent verbeterd door de verlaging van de kamerdruk. PPy-origami verbeterde de waterverdamping met 71 procent en er werden ook hogere stoomopvangsnelheden waargenomen. De algehele efficiëntie van het systeem steeg met 91.5 procent onder één lichtbron. Het systeem is getest op een monster uit de Colorado-rivier in Texas, VS. Het systeem verwijderde verontreiniging van water in de vorm van zware metalen, bacteriën, zout en vermindert de alkaliteit door schoon water te produceren dat voldoet aan de drinknormen zoals vastgesteld door de WHO.
De huidige studie beschrijft een nieuw rationeel ontwerp van een draagbaar, goedkoop zonne-stoomverzamelsysteem met 3D-origami fotothermische materialen die verbeterde waterverdamping en stoomverzameling biedt. De kosten van elke bloemachtige structuur zijn minder dan 2 cent en het kan met succes 2 liter schoon water per uur per vierkante meter produceren. Dit ontwerp kan een inspiratie zijn om unieke modellen van zonne-stomen te fabriceren voor de productie van schoon water.
***
{U kunt de originele onderzoekspaper lezen door op de DOI-link hieronder in de lijst met geciteerde bron(nen) te klikken}
Bron (nen)
Li, W. et al. 2019. Draagbare lagedruk zonne-stomen, collectie Unisystem met polypyrrole origamis. Geavanceerde materialen. http://doi.org/10.1002/adma.201900720
